图1. 生物相容性电化学金催化C(sp²)-C(sp)偶联（图片来源：Nat. Synth.）

金催化的C-C键氧化偶联近年来得到了显著的发展，由于Au(I)/Au(III)具有较高的氧化还原电位(+1.41 V)，相关反应的催化循环通常需要使用很强的化学氧化剂来实现，这将导致反应具有较低的官能团兼容性和原子经济性。因此，如何实现无外源氧化剂存在下，温和的金催化C-C偶联反应是当前亟待解决的问题。

炔基作为有机合成中最重要且多功能的官能团之一，可以通过氧化还原、加成、取代等反应将其转化为众多复杂基团(图2a)。由于端炔氢原子具有一定酸性，C(sp³)-C(sp)键的构建可以通过末端炔烃亲核取代或加成来实现。相比较而言，C(sp²)-C(sp)键的形成更具挑战性，经典的Pd/Cu共催化Sonogashira偶联已成为最有效的策略。然而，钯活性物种的高反应性在一定程度上会导致这类反应的官能团相容性较低，从而限制其应用范围。在此基础上，使用金催化的氧化C(sp²)-C(sp)键偶联反应近年来得到了广泛关注，这类反应通常需要添加化学计量的氧化剂，如PhI(OAc)₂。最近，在无外源氧化剂存在下，芳基重氮盐与末端炔烃或三甲基甲硅烷基保护炔烃的偶联反应也得到了一定的发展(图2b)。然而由于重氮盐固有的强亲电性和氧化性，这类反应一般不适用于氧化还原敏感的基团，因此作者考虑是否可以由稳定的芳基肼出发，在温和条件下原位直接生成芳基自由基，代替上述反应中使用的重氮盐。电化学反应可以通过改变氧化电位方便地调节氧化过程，其在过渡金属催化的氧化偶联反应中得到了广泛的研究。2019年，史晓东课题组首次实现了两种不同炔烃的电化学金催化C(sp)-C(sp)偶联(图2c)，随后又报道了电化学条件下芳基硼酸和末端炔烃之间的C(sp²)-C(sp)偶联。谢劲课题组长期致力于过渡金属催化氧化偶联反应的研究，在此工作中，他们使用廉价的RVC/Ni为电极，成功实现了高度官能团化端炔与芳基肼之间的电化学金催化C(sp²)-C(sp)脱氢偶联(图2d)。

图2. 研究背景与反应设计（图片来源：Nat. Synth.）

首先，作者以富电子的2-乙炔基苯胺(1)和4-氰基苯肼(2)为模板底物，对反应条件进行了优化(图3)。在单室型电解池中，使用RVC为阳极，Ni片为阴极，ⁿBu₄NOAc为电解质，dppm(AuCl)₂为催化剂，同时添加4,7-二苯基-1,10-菲咯啉为配体稳定反应中生成的高价金物种，在5 mA恒电流电解条件下能以63%的收率得到目标偶联产物3，且未观察到环化副产物3’的生成。使用其它质子或非质子溶剂，如DCM和MeOH均会导致反应产率降低。电解质由ⁿBu₄NOAc替换为ⁿBu₄NPF₆或ⁿBu₄NBF₄均不利于C(sp²)-C(sp)偶联产物的生成，这可能是由于ⁿBu₄NOAc能在一定程度上稳定高价金中间体。各种配体和金催化剂的筛选表明dppm(AuCl)₂和4,7-二苯基-1,10-菲咯啉为该催化体系的最佳搭配。将电流提高至9 mA时，偶联产物产率下降至44%。对照实验表明，在无金催化剂或电流存在下，该偶联反应完全无法发生。

图3. 反应条件优化（图片来源：Nat. Synth.）

在最优反应条件下，作者系统研究了底物适用范围(图4)。对于芳基炔烃，苯基上的富电子基团和缺电子基团均具有良好的适用性，能以中等至良好的收率得到所需的偶联产物(4-14)。值得注意的是，众多含敏感氨基的富电子炔基芳胺底物均可以顺利完成该电氧化偶联，能以55-69%的产率得到目标产物(15-22)，对氧化剂敏感的硫醚底物也能以60%的收率完成该反应(23)。含杂芳环的炔烃，如噻吩(13)和吡啶(14)也具有良好的反应性，分别以67%和47%的产率得到偶联产物。随后作者继续考察了脂肪族炔烃的反应性。具有环张力的环丙炔能以45%的收率完成该偶联反应(25)。含羟基的脂肪族炔烃也具有优异的底物适用性，可以顺利完成偶联并以中等产率得到目标产物(27, 28, 33-38)，炔烃底物C4、C5和C6处的羟基能被该反应兼容(33-38)，且不会进一步转化为相应的醚。此外，其它官能团如酯(29)、缩醛(30, 31)以及共轭烯基(32)在氧化偶联过程中都具有良好的适用性，不会被过度氧化。各种复杂分子衍生的炔基底物均有良好的反应性，包括异龙脑(39)、葑酮(40)、薄荷醇(41)、布洛芬(42)、诺卜醇(43)以及吉非罗齐(44)，证明了该反应潜在的应用价值。随后，作者继续探究了芳基肼底物的适用范围。各种取代的芳基肼，如如卤素(45, 46)、富电子的甲氧基(47)、缺电子的三氟甲基(48)和酯基(49, 50)均具有优异的反应性，并且在间位或邻位的相同官能团对反应收率几乎没有影响，能以中等至良好的产率提供偶联产物(51-56)。

图4. 反应底物适用范围（图片来源：Nat. Synth.）

在完成上述底物适用范围研究后，作者将该电氧化策略应用于含生物活性分子骨架的复杂炔烃的偶联反应(图5)。氨基酸衍生的炔烃能以良好的反应性完成该催化C(sp²)-C(sp)偶联，以40-58%的产率生成目标产物(57-62)。含氮杂环骨架的腺苷(63)和尿苷(64)衍生的炔烃底物能很好地耐受该电化学反应体系。含果糖和葡萄糖骨架的炔烃也能顺利实现该电氧化偶联，并以中等产率得到产物65和66。此外，作者进行了5 mmol克级规模下的反应性研究，得到48%产率的偶联产物66 (1.17 g)。

图5. 含生物活性骨架分子的反应性研究（图片来源：Nat. Synth.）

随后，作者探究了复杂天然生物活性片段对该电化学氧化偶联反应的影响，以验证其生物相容性(图6)。单糖、氨基酸、肽、三磷酸腺苷和核苷酸加入到反应体系中时，反应产率均未出现明显下降。而向反应中直接添加生物体中的一些核心大分子，如DNA、RNA、白蛋白、叶绿素、淀粉和酶，也均能以令人满意的产率获得了所需的偶联产物3。这些实验表明，该金催化电化学反应体系对一系列生物活性组分均具有优异的生物相容性。

图6. 生物相容性研究（图片来源：Nat. Synth.）

最后，作者设计了一系列机理实验以探究该催化过程的反应机制。首先，在标准反应体系下加入TEMPO会导致产率显著下降，同时通过HRMS成功检测到TEMPO捕获芳基自由基的质谱信号(图7a)。使用邻位烯丙醚取代的苯肼69为底物，在标准反应条件下能以42%的产率生成环化的五元环产物71(图7b)。这些结果均表明芳基肼底物可在反应体系中生成芳基自由基中间体。平行动力学同位素实验表明炔基C-H键的活化并非该反应的决速步(图7c)。Hammett实验进一步验证了芳基肼衍生物的电子效应(如4-OMe、4-Cl、4-CF₃和4-CN)对反应速率的影响(图7d)，正斜率(ρ = 0.9774)表明在金催化剂的氧化加成过程中，缺电子的芳基自由基中间体将更有利。循环伏安实验表明，苯肼(2)的氧化电位约为+0.53 V (vs. Ag/AgNO₃)，同时碱会通过加速氢转移来促进苯肼的氧化。金催化剂具有两个明显的氧化峰，分别为Au(I)/Au(II) (E_p = +1.06 V vs. Ag/AgNO₃)和Au(II)/Au(III) (E_p= +1.41 V vs. Ag/AgNO₃)。这些结果表明芳基肼通过阳极氧化原位生成的芳基自由基可以顺利被Au(I)捕获(图7e)。

图7. 反应机理研究（图片来源：Nat. Synth.）

基于上述机理实验和文献报道，作者提出了一种可能的反应机理(图8)。首先，在碱的促进下，芳基肼在阳极表面发生氧化以形成高度亲电的芳基自由基，该芳基自由基可被Au(I)催化剂捕获以得到活性中间体73，同时4,7-二苯基-1,10-菲咯啉作为配体将进一步稳定该高价金物种。该中间体继续在阳极表面发生单电子氧化生成Ar-Au(III)物种74并活化末端炔烃。最后，高价金物种75发生快速还原消除得到目标C(sp²)-C(sp)偶联产物。

图8. 可能的反应机理（图片来源：Nat. Synth.）